低濃度VOCs監(jiān)測(cè)設(shè)備冷阱的設(shè)計(jì)及制冷效果的影響因素

李峰居 徐后坤 劉盼 王佳靜

摘要：本文介紹了一種低溫冷阱的設(shè)計(jì)方式，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了影響冷阱制冷效果的因素，包括半導(dǎo)體制冷片級(jí)數(shù)、導(dǎo)熱塊的體積兩個(gè)主要因素，以及在冷阱腔體真空度、導(dǎo)熱塊支架的導(dǎo)熱性、導(dǎo)熱硅脂的涂抹方式、軸流風(fēng)扇的功率等方面需要注意的細(xì)節(jié)，為后續(xù)低濃度VOCs監(jiān)測(cè)設(shè)備的冷阱設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐和一定的經(jīng)驗(yàn)。

Abstract： A design of cryotrap is composed in this paper. Through multiple experiments to explore the factors influencing the refrigeration effect of cryotrap， we found that the series of thermoelectric cooling module and the volume of heat conduction block are main factors， also some details of the vacuum degree of cavity in the cryotrap， the thermal conductivity of heat conduction block， the coating of heat-conducting silicone grease and the power of axial fan should be noticed. These conclusions could provide technical support and some experiences for cryotrap design in low concentration VOCs monitoring equipment.

關(guān)鍵詞：低濃度VOCs;低溫富集;低溫冷阱設(shè)計(jì)

Key words： low concentration of VOCs;enrichment of low temperature;design of cryotrap

中圖分類(lèi)號(hào)：X85? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）29-0247-03

0? 引言

VOCs即揮發(fā)性有機(jī)化合物，它的致毒性、刺激性、致癌性會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生直接損害，環(huán)境空氣中VOCs通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為的二次顆粒物是空氣污染的一項(xiàng)重要因素[1]。VOCs不僅存在于環(huán)境空氣中，水體中和土壤中均存在揮發(fā)性有機(jī)物，污染形勢(shì)同樣不容樂(lè)觀。相對(duì)于固定空氣污染源所排放的VOCs，環(huán)境空氣中、水體中、以及土壤中的VOCs組分濃度比較低，不容易被定量及檢測(cè)。

在現(xiàn)階段環(huán)境VOCs（除固定污染源NMHC）監(jiān)測(cè)手段中，環(huán)境樣品前處理的目的是將低濃度甚至痕量VOCs富集，使得富集后的VOCs含量滿足檢測(cè)器最低檢出限。前處理有動(dòng)態(tài)頂空法、靜態(tài)頂空法、固相微萃取法、常規(guī)溶劑萃取法等，近年來(lái)吹掃捕集法已經(jīng)成為低濃度VOCs監(jiān)測(cè)中應(yīng)用比較廣泛的富集方法[2][3]。

吹掃捕集方法中常設(shè)計(jì)冷阱對(duì)低濃度VOCs進(jìn)行富集[4]。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的VOCs樣氣通過(guò)冷阱制造出的低溫通道，被填充在通道內(nèi)的吸附劑吸附，加熱解析后被載氣帶入色譜柱進(jìn)行分離，后被檢測(cè)器檢出。本文利用半導(dǎo)體制冷片對(duì)低濃度VOCs監(jiān)測(cè)設(shè)備的冷阱進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)改變冷阱中的結(jié)構(gòu)、制冷片級(jí)數(shù)等參數(shù)，探究影響制冷溫度的因素，從而優(yōu)化冷阱制冷效果，提高VOCs富集效率。

1? 低濃度VOCs監(jiān)測(cè)設(shè)備冷阱的設(shè)計(jì)

1.1 冷阱整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低濃度VOCs監(jiān)測(cè)設(shè)備冷阱結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，自上至下主要分為三個(gè)部分，分別為冷阱本體、散熱片、軸流風(fēng)扇。

冷阱本體左側(cè)為樣氣進(jìn)口、右側(cè)為樣氣出口;由隔熱性能比較好的陶瓷或者聚四氟乙烯等材料構(gòu)成冷阱本體四壁和上蓋;冷阱本體內(nèi)部設(shè)有富集管，左右兩端連接樣氣進(jìn)口與出口，并保證接口的氣密性，并貫穿導(dǎo)熱塊;富集管內(nèi)填裝吸附劑以在低溫狀態(tài)下富集樣氣中的低濃度或者痕量VOCs組分，在高溫狀態(tài)下VOCs組分被解析出隨載氣進(jìn)入色譜柱及檢測(cè)器。

導(dǎo)熱塊下部為半導(dǎo)體制冷片，制冷端緊貼導(dǎo)熱塊為其降溫，制造低溫環(huán)境;制冷片散熱端與散熱片緊密接觸，熱量傳導(dǎo)至散熱片上;軸流風(fēng)扇向散熱片齒間送入自然風(fēng)，將散熱片吸收的熱量帶走。導(dǎo)熱塊與制冷片之間、制冷片與散熱片之間均用導(dǎo)熱硅脂粘連，保證熱量傳導(dǎo)流暢。

熱量的傳遞路線為：富集管→導(dǎo)熱塊→制冷片制冷端→制冷片散熱端→散熱片→經(jīng)由散熱排風(fēng)口進(jìn)入周?chē)h(huán)境中。

1.2 富集管吸附劑的選型

富集VOCs組分通常選擇Tenax、碳分子篩、炭黑、Carboxen 1000等材料作為吸附劑。

1.3 半導(dǎo)體制冷片的級(jí)數(shù)選擇

半導(dǎo)體制冷片的基本原理為珀?duì)柼?yīng)，由兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成電偶，當(dāng)直流電通過(guò)時(shí)，電偶的兩端分別吸收和放出熱量，從而實(shí)現(xiàn)制冷。半導(dǎo)體制冷片有多級(jí)與單級(jí)之分，根據(jù)制冷目標(biāo)溫度的不同選擇合適的功率、尺寸及級(jí)數(shù)的半導(dǎo)體制冷片。

本文中設(shè)計(jì)的冷阱采用40×40mm的單級(jí)制冷片（12V 8A）和40×40mm/30×30mm/20×20mm的三級(jí)制冷片（12V 4A），使用兩種級(jí)數(shù)和功率均不同的制冷片進(jìn)行制冷實(shí)驗(yàn)探究，制冷片實(shí)物如圖2。

1.4 導(dǎo)熱塊的尺寸選擇

本文中設(shè)計(jì)的冷阱使用三種不同尺寸的導(dǎo)熱塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。如圖3所示，三種導(dǎo)熱塊A、B、C的材質(zhì)均為鋁型材，長(zhǎng)度均為46mm，厚度均相同，導(dǎo)熱塊A、B、C的體積比例關(guān)系為4：3：2;四角均設(shè)計(jì)支架并由緊固螺釘固定于散熱片上。

1.5 散熱片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高制冷片制冷效果，設(shè)計(jì)多通道、鋁型材散熱片，如圖4所示。散熱片長(zhǎng)寬為80×80mm、高27mm，底厚6mm，齒距2.3mm，齒厚0.8mm，共25個(gè)散熱通道。

2? 影響冷阱制冷溫度的因素探究

2.1 探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

進(jìn)行四組制冷實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)所用的散熱片與散熱風(fēng)扇參數(shù)相同，但采用不同尺寸的導(dǎo)熱塊和不同級(jí)數(shù)的半導(dǎo)體制冷片，對(duì)冷阱的制冷速度與制冷極限溫度進(jìn)行探究，實(shí)驗(yàn)條件如下：

第一組：導(dǎo)熱塊A和單級(jí)制冷片組合;

第二組：導(dǎo)熱塊A和三級(jí)制冷片組合;

第三組：導(dǎo)熱塊B和三級(jí)制冷片組合;

第四組：導(dǎo)熱塊C和三級(jí)制冷片組合。

2.2 探究性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

一般來(lái)說(shuō)，VOCs監(jiān)測(cè)設(shè)備冷阱的制冷時(shí)間為300s，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響單次樣品分析時(shí)長(zhǎng);且所需的制冷極限溫度應(yīng)該在-10℃以下，以滿足吸附劑的低溫需求，溫度越低吸附劑的對(duì)低濃度VOCs組分的吸附效果越好。為探究300s內(nèi)制冷速率以及最終的制冷極限溫度，四組實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)熱塊初始溫度都在27℃左右，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得知不同組合的制冷極限溫度與制冷速率均不相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。

對(duì)于材質(zhì)相同的導(dǎo)熱塊A，由于體積相同，每降低單位溫度所傳導(dǎo)出的熱量相同，300s內(nèi)制冷速率與制冷極限溫度主要與制冷片級(jí)數(shù)有關(guān)。圖5中，單級(jí)制冷片的300s制冷速率比三級(jí)制冷片慢，且制冷極限溫度為-5℃，高于三級(jí)制冷片的極限溫度-8℃。雖然均不滿足富集低濃度VOCs組分所需的-10℃低溫環(huán)境，但由此可知相同外部條件下單級(jí)制冷片的制冷效果不如三級(jí)制冷片，可能是由于單級(jí)制冷片在大功率運(yùn)行狀況下，其散熱速率較慢，導(dǎo)致熱量沿導(dǎo)熱塊→制冷片→散熱片順序傳遞的速率較慢，降溫速率慢;當(dāng)冷熱端熱量傳遞相等時(shí)、正逆向熱傳遞相互抵消以達(dá)到平衡，形成固定的溫差，冷熱端溫度不會(huì)再發(fā)生變化，而單級(jí)制冷片的逆向熱量傳遞量比較大，導(dǎo)致制冷極限溫度比較高。

對(duì)于使用相同功率的的三級(jí)制冷片，由圖5可知不同體積導(dǎo)熱塊的制冷速率與制冷極限溫度各有不同：制冷速率隨著導(dǎo)熱塊的體積減小而增大，由于每降低相同材質(zhì)鋁型材的單位溫度，體積越小所需能量越小，制冷效果愈佳;而制冷極限溫度隨著導(dǎo)熱塊的體積減小而降低，由于導(dǎo)熱塊體積越小，表面積越小，則單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)熱塊周?chē)目諝饽嫦驘醾鬟f至導(dǎo)熱塊的熱量越小，制冷極限溫度就會(huì)越低。

2.3 影響冷阱制冷溫度的其他可能因素

除了上文中提到的制冷片級(jí)數(shù)和導(dǎo)熱塊體積兩個(gè)重要影響因素外，制冷溫度可能還與以下幾個(gè)方面有關(guān)：

①冷阱本體所構(gòu)成的腔體內(nèi)部的真空度越高，內(nèi)部空氣越稀薄，以空氣為介質(zhì)進(jìn)行的制冷片熱端→制冷片冷端和導(dǎo)熱塊的熱量傳遞路線就會(huì)被切斷，使制冷片冷端及導(dǎo)熱塊制冷極限溫度越低;或者在本體內(nèi)部空間內(nèi)加裝保溫棉，在一定程度上降低腔體內(nèi)空氣的熱傳導(dǎo)性能，以提高制冷效果;

②冷阱本體內(nèi)部腔體中，熱量會(huì)由制冷片散熱端傳遞至散熱片，導(dǎo)致散熱片溫度升高，由于導(dǎo)熱塊是由緊固螺釘固定在散熱片上，因此采用導(dǎo)熱性能比較差的材質(zhì)制成的緊固螺釘會(huì)減少散熱片至導(dǎo)熱塊的熱傳遞量;同時(shí)導(dǎo)熱塊四角支架應(yīng)遠(yuǎn)離散熱片，且尺寸越小、逆向傳遞至導(dǎo)熱塊的熱量就會(huì)越小;

③由于導(dǎo)熱塊與制冷片、制冷片與散熱片之間均用導(dǎo)熱硅脂粘連，硅脂層越薄導(dǎo)熱性能越好，且需要涂抹均勻，如有空氣間隙則會(huì)影響相互之間熱量傳遞效率，降低制冷效果;

④軸流風(fēng)扇的功率越大，散熱片齒的散熱效率越高，可以提高冷阱本體內(nèi)的制冷效果。

3? 結(jié)論

本文主要介紹了VOCs監(jiān)測(cè)設(shè)備中冷阱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以為環(huán)境空氣VOCs、土壤VOCs、水中VOCs等低濃度甚至是痕量VOCs組分的監(jiān)測(cè)提供前期的實(shí)踐與技術(shù)支撐，同時(shí)通過(guò)控制變量等實(shí)驗(yàn)探究了影響冷阱本體制冷溫度的多個(gè)因素，并提出多條增強(qiáng)冷阱制冷效果以提高VOCs富集效率的建議，可以為后續(xù)的冷阱完善與改進(jìn)提供一定經(jīng)驗(yàn)支撐。

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